pcb叠层结构设计更好的保证EMC性能及 pcb六层板叠层结构设计优点,缺点。-小北 Allegro,pads,PCB电路板设计,电子元器件及芯片资料分享—小北设计

pcb叠层结构设计更好的保证EMC性能

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随着芯片集成度的增加,PCB板的设计也越来越复杂,PCB的层数也越来越多,在多层PCB中,通常包含有信号层(S)、电源层(PWR)和地层(GND)。电源层和地层是为相邻信号走线的电流提供一个好的低阻抗的电流返回路径。我们在PCB设计时,既要考虑信号的完整性,也要考虑制作成本,下面和小北聊聊在pcb叠层结构设计时更好的保证电路板的EMC性能。

在PCB的EMC设计中,叠层的设计是非常重要的,它是影响单板EMC指标的一个重要因素。需要根据单板的电源、地的种类、信号密度、板级工作频率,有特殊布线要求的信号数量,综合单板的性能指标,以及成本的承受能力等来确定单板的层数。对EMC指标要求苛刻的产品,在相对成本能接受的情况下,适当增加地平面是非常有效的设计方法。

pcb叠层结构设计更好的保证EMC性能

在进行PCB叠层设计时主要从以下几个方面入手考虑:

板厚:一般常规的PCB成品厚度为0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.6mm、2.0mm、3.2mm、6.4mm等等,面积越小的板厚可以做得薄一些,面积越大的,从结构可靠性角度一般会做得厚一些。经常插拔、安装应力较大的板子也会做得厚一些。

信号完整性:从信号完整性的角度设计PCB叠层,常见的一些设计原则包括,每个信号层需要有完整的参考平面,高速信号尽可能与地平面相邻,电源层与地层相邻, 避免两个信号层相邻等等。从EMC的角度设计PCB叠层,常见的一些设计原则包括:元件面、焊接面下面为完整的地平面,尽量避免两信号层直接相邻,所有信号层尽可能与地平面相邻,敏感信号、高辐射信号等关键信号布线层要与两个地平面相邻等等

对于单一电源供电的PCB,一个电源平面就足够了:对于多种电源,若互不交错,可考虑采取电源平面分割(保证相邻的关键信号布线不跨分割区);对于电源互相交错的单板,则必须考虑采用2个或以上的电源平面。当有多个电源平面并且电源平面交错时,要加大相邻电 源平面的层间距,尽量让每个电源平面都有对应的地平面且尽可能减小电源和地平面之间的间距。增大电源平面之间的间距,可以减少电源平面相互之间的耦合干扰,从而减少电源平面辐射出去的电磁波,进而减少EMI的干扰;减小电源平面和地平面之间的距离,可以增强电源平面和地平面之间的耦合,降低电源平面的目标阻抗,从而减少辐射出去的电磁波的幅值,进而减少EMI的干扰。对于地的层数来说,元器件下面(第2层或倒数第2层)有相对完整的地平面;高速、高频和时钟信号等关键信号有一个相邻地平面。对高速走线来说,因地平面相对电源平面有相对较低的阻抗,所以可以给高速信号提供较低阻抗的回流路径。

在PCB的边界会发生电磁场的边界效应,电源平面边界区域的部分能量会以电磁波的形式向外辐射,并返回地平面,以地平面作为能量的终结25),如图5-2所示。如果与电源平面相对应的地平面很大,大到可以完全作为电源平面辐射出的电磁波的信号回流路径,电磁场的分布在地平面以上部分空间中,如图5-3所示,则该PCB将不会对外界造成辐射干扰。为控制电源平面边缘的辐射,减少PCB边的辐射效应,所有的电源平面相对地平面都要内缩20H(H为电源平面到地平面的距离),达到20H时,70%的辐射量会被限制在电源与地平面之间,如果想100%的辐射在电源平面与地平面之间,需要达到100H。

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为保证PCB具有较好的EMC性能,电源层、地平面层和信号层在PCB的叠层结构设计中有一些基本的原则。

电源和地平面存在自身的特性阻抗,电源平面的阻抗比地平面的阻抗高,为降低电源平面的阻抗,应尽量将PCB的主电源平面与其对应的地平面相邻排布并且尽量靠近,充分利用两者的耦合电容来降低电源平面的阻抗。电源和地平面均能用作参考平面,且有一定的屏蔽作用。因电源平面具有较高的特性阻抗,所以它与参考平面存在较大的电位差,从屏蔽的角度,地平面一般均进行接地处理,并作为基准电平参考点,其屏蔽效果要远远优于电源平面,因此在选择参考平面时,应优选地平面作为信号回流的参考平面。电源地平面构成的平面电容与PCB上的去耦电容一起构成频响曲线比较复杂的电源地电容,它的有效去耦频带比较宽。电源平面存在谐振问题,对谐振频点要进行有效的处理。

当电源层、地层数及信号的走线层数确定后,为使PCB具有良好的EMC性能,它们之间的相对排布位置的基本要求如下。

①元器件层下面(第二层)为地平面,提供器件屏蔽层及为顶层布线提供参考平面。

②所有信号层尽可能与地平面相邻。

③尽量避免两信号层走线直接相邻。如果无法避免,应加大两相邻信号层的走线间距,使两层信号走线在上下位置呈垂直走线状态。

④主电源尽可能与其对应地相邻,并尽可能减小电源和地平面之间的距离,以小于5m为优,最大最好不要超过10mil.

⑤兼顾层压结构的对称叠层还需要兼顾PCB制造工艺和控制PCB的翘曲度。通常民户产品采用IPCII标准,要求PCB的翘曲度要小于0.75%。

⑤采用偶数层结构,目前业界的叠层结构几乎全都是偶数层,而不是奇数层。从PCB的Core芯板的两侧,电路中的导电层位于Core芯片的两侧,导电层是偶数:如果要制造奇数层印制电路板,需要在芯片工艺的基础上增加非标准的芯板层黏合工艺,这增加了制板成本和制板的工艺复杂性,奇数层电路板容易,翘曲度较难控制。

6层板的设计结构,小北推荐下面二种叠层设计:

1.TOP-GND-SIG-PWR-GND-BOTTOM;

对于这种方案,这种叠层方案可得到较好的信号完整性,信号层与接地层相邻,电源层和接地层配对,每个走线层的阻抗都可较好控制,且两个地层都是能良好的吸收磁力线。并且在电源、地层完整的情况下能为每个信号层都提供较好的回流路径。

1.TOP-GND-SIG-SIG-GND-BOTTOM;

优点:除了顶底信号层外还有两个内部走线层,具有较多的信号层,有利于元件之间的布线

缺点:信号层SIN3SIN4直接相邻,信号隔离性不好,容易发生串扰,在布线的时候需要错开布线。不利于EMC

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